光源與光檢測器ppt課件-資料下載頁

　　

【正文】 成光生電流，光入射功率變化時光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉換成電流信號（稱為光生電流） 光電二極管的響應波長 光電效應的發生是有一定的條件，入射光子的能量小于半導體材料的禁帶寬度 Eg，那么無論入射光多么強，光電效應也不會發生，也就是說，光電效應必須足條件 hf Eg或 )(evEgEghcc ???第 87 頁 X 光電二極管的響應波長 光電二極管入射光波長太短時，光變電的轉換效率也會大大下降，這是因為材料對光的吸收系數是波長的函數， 當入射波長很短時，材料對光的吸收系數變得很大 ，使大量的入射光子在光電二極管的表面層里被吸收，而反向偏壓主要是加在 PN結的結區附近的耗盡層里，光電二極管的表面層往往存在著一個零電場的區域，在零電場區域里產生的電子空穴對不能有效地轉換成光電流，從而使光電轉換效率降低 。 在吸收光子過程中，入射光功率按指數規律衰減 ——深入 PN結 x距離后的光功率 ——吸收系數， 不同的半導體材料，其吸收系數不一樣，波長越短，吸收系數越大。 P0——入射的光功率 ? ?xo epxp )(1)( ?????)(xp)(?? m? 某種材料制作的光電二極管，對光波長的響應有一定的范圍， Si光電二極管的波長響應范圍從大約 ~ ，適用于短波長波段。 Ge和 InGaAs光電二極管的波長的響應范圍 ~ ， 適用于長波長波段。 m?m? 光電二極管的響應波長 第 90 頁 X 4． 2． 2 PIN 光電效應 PN結光生電流主要由耗盡區電子 ——空穴對在外加電場與自建電場作用下的漂移運動形成的。 耗盡區 (有源區 )：漂移運動，快 → 極值，電場大； 擴散區： 擴散運動，慢， 電場為零； m?第 91 頁 X 快的響應速度和高的效率 m? 避免光生電子一空穴對在零電場區里產生 減小零電場 P區和 n區厚度，增加耗盡區厚度 摻雜很輕的 n層稱作本征 I層，在 I層的兩端做成重摻雜的 P層和 n層（窄、?。?， PIN比 PD具有更高的光生電流效率和更高的響應速度。 第 92 頁 X 4． 2． 3雪崩光電二極管 APD PIN存在的問題 1。耗盡區加長，反向偏壓不能加很高，使載流子的漂移時間長 —— 響應速度慢 2。光生電流小，引入放大器的噪聲 ——接收機信噪比低。 第 93 頁 X APD工作原理 雪崩光電二極管在 結構 設計上已考慮能 承受高反向偏壓 ，在 PN結內部形成一個高電場區，光生的電子 ——空穴對經過高電場區時被 加速而獲得足夠的能量，它們在高速運動中與晶體上的原子碰撞，使晶體中的原子電離，從而產生新的電子 ——空穴對，這樣多次碰撞電離的結果，使載流子迅速增加，反向電流迅速加大，形成 雪崩倍增效應 ， APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。 4． 2． 4 光電檢測器的主要技術指標 ?響應度 R 定義一光電檢測器的平均輸出電流 IP與其平均入射光功率 P0之比。 = 是表征光電轉換效率高低的一個物理量 )/(0 WApIRop? 入射光功率光生功率光生電流 e – 電子電荷 h – 普朗克常數 f – 光頻 吸收系數 w – 耗盡區的寬度 r – 光纖入射端面的反射系數（越小越好） )1)(1( rePhfeI Wop ??? ? ?)1)(1( re W ??? ? ????量子效率（ ） 定義 ——檢測器中產生的電子一空穴對數與入射的光子數之比 量子效率與響應度的關系為： RO= 光電轉換效率高。 ?hfpeIop//??入射光子數光生電子一空穴對數?)/( WAhfe????? oR?第 97 頁 X ?響應時間或響應速度 （輸入光 輸出光生電流） 定義 —— 表示對光信號的反應能力，常用對光脈沖響應的上升或下降沿表示，從接收到光子起到它能夠有光生電流輸出的這段時間。 – 光電響應時間，由以下三個因素： （ 1） 耗盡區內光生載流子的漂移時間 電場較低， V與 E成正比，當 ES=106V/m，速度達到極限值，不再變化，要使載流子能以極限漂移速度渡越耗盡區，必須使反向偏壓達到VESW 第 98 頁 X （ 2） 耗盡區以外即擴散區以內，載流子的擴散時間 擴散運動速度比漂移運動的速度慢得多，未產生光生電流 零電場下擴散區表面產生的電子一空穴對 （ a）復合 光電效率低 （ b）被電路吸收 先擴散到耗盡區，這部分載流子作擴散運動的附加時延會使光電檢測器輸出的電脈沖的下降沿的拖尾加長，影響了光電二極管的響應速度。 光電二極管 Cd – 結電容 A——結區面積 ε ——介電常數 w——耗盡區厚度 Rs – 串聯電阻，可忽略 Cd 和負載電路的時間常數限制了器件的響應速度。 （ 3 ） 光電二極管及其負載電路的時間常數 RC R L A （ a ）光電二極管接收電路 R S C d R L R 0 C 0 A （ b ）等效電路 wACd??第 100 頁 X ?暗電流 Id 表示無光照射時出現的反向電流。 主要是由熱激發而產生的載流子引起的，因此，暗電流與溫度有關，溫度越高，暗電流越大，暗電流隨溫度變化形成了噪聲。 影 響接收機性能好壞的重要參數信噪比 ，其噪聲源（ 1）光電檢測（ 2）前置放大器 ?平均雪崩增益（倍增因子 G） 電流增益系數 G= IG—— 倍增后的總輸出電流的平均值 IP ——初始的光生電流 R —— APD的內阻 I—— APD的輸出電流 VB —— APD的擊穿電壓 n —— 某一指數（常數） 與 APD的材料、摻雜分布和工作波長等因素有關，一般為 3~6 nBVIRV )(11??PGIIG ??結電容 影響光電檢測器響應時間的第三個因素是光電二極管和它的負載電路的時間常數RC，其中， C包含二極管 PN結的結電容 Cd A——結區面積 ε ——介電常數 w——耗盡區厚度 wACd??第 103 頁 X ?過剩噪聲系數 F（ G） 指一次電子 —— 空穴對和二次電子一空穴對的隨機性造成的附加噪聲（入射在光電檢波器光敏面上的光子產生一次電子一空穴對的隨機性，指每個一次電子一空穴對產生二次電子一空穴對數是不能準確測定的）。 倍增噪聲，互不相關。 過剩噪聲系數 F（ G） ——空穴對數， g是隨機變量又稱為隨機增益， g的統計平均值 g等于平均雪崩增益G， g=G， G的平方 g2 = F（ G） G – 平均雪崩增益 Ke—— 空穴／電子碰撞游離概率比 Ke ? ? ? ??????????????? ???? 2111GGKGGFe第 105 頁 X ?過剩噪聲指數 X 將上式 F（ G）簡化， 常采用近似公式： ﹙ g2﹚ ≈G2+x≈〈 g〉 2+X GX或者 〈 g〉 X也可稱為過剩噪聲系數 APD的制作工藝和使用的材料 x： Si — APD x在 ~ Ge — APD ~ InGaAsP— APD ~ 第 106 頁 X 不同材料制作的 APD 和 PIN的性能 檢測器 暗電流 (n A) 量子效率 過剩噪聲指數 X 上升時間 Si – APD 幾個 n A ( ) 60%左右 ~ （ G=100時 ） 約 300PS Ge – APD 1800n A( ) 70%左右 ~（ G=10時 ） 約 500PS 1nGaAsAPD 50nA( ) 45%左右 ~（ G=10 ） 100~1000PS Ge – PIN 300n A （ 10V偏壓 ） 80%左右 — 約 500PS 1nGaAs – PIN 幾個 n A（ 5V偏壓 ） 70%左右 —— 約 100PS